Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Mục đích của quá trình này là:  Chuyển hóa các chất hòa tan và những chất dễ phân hủy sinh học thành những sản phẩm cuối cùng có thể chấp nhận được.. Bảng2.1:Các quá trình sinh học dùng

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi

sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải

Mục đích của quá trình này là:

 Chuyển hóa các chất hòa tan và những chất dễ phân hủy sinh học thành những sản phẩm cuối cùng có thể chấp nhận được

 Hấp thụ và kết tụ cặn lơ lửng và chất keo không lắng thành bông sinh học hay màng sinh học

 Chuyển hóa/ khử chất dinh dưỡng như nitơ, photpho

 Trong một số trường hợp khử những hợp chất và những thành phần hữu cơ dạng vết

Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước thải

Khử các chất hòa tan, BOD carbon và ổn định hợp chất hữu cơ trong nước thải

Sử dụng nhiều loại vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn

Những vi sinh vật được sử dụng để oxy hóa các chất hòa tan và những hợp chất hữu cơ chứa cacbon thành những sản phẩm đơn giản và tăng sinh khối

Phương trình mô tả quá trình oxy hóa sinh học của những hợp chất hữu cơ:

Vi ( hợp chất hữu cơ) v2O2 + v3NH3 + v4PO43- → v5 ( tế bào mới) + v6CO2 +v7H2O

Trong đó vi là hệ số đẳng lượng

Bảng2.1:Các quá trình sinh học dùng trong xử lý nước thải

 Xáo trộn hoàn toàn

 Làm thoáng theo bậc

 Oxi nguyên chất

 Bể phản ứng hoạt động gián đoạn

 Ổn định tiếp xúc

 Làm thoáng kéo dài

 Kênh oxi hoá

 Bể sâu( 90ft = 30m)

 Bể rộng –sâuNitrat hóa sinh trưởng lơ lửng

Hồ làm thoángPhân hủy hiếu khí:

 Không khí thông thường

 Oxi hóa nguyên chất

Bể lọc sinh học

 Thấp tải- nhỏ giọt

 Cao tải

Lọc trên bề mặt xù xì( roughing filters)

Đĩa - tiếp xúc sinh học quay Bể phản ứng với khối vật liệu

Quá trình lọc sinh học bùn hoạt tính

 Lọc nhỏ giọt- vật liệu rắn tiếp xúc

 Quá trình bùn hoạt tính- lọc sinh học

 Quá trình lọc sinh học nhỏ- bùn hoạt tính nối

Khử BOD chứa cacbon( nitrat hoá)

Nitrat hóaKhử BOD- chứa cacbon( nitrat hoá)

Ổn định, khử BOD chứa cacbon

Khử BOD chứa nitrat hóa

cacbon-Khử BOD chứa cacbonKhử BOD chứa cacbon- nitrat hoá

Khử BOD chứa cacbon- nitrat hóa

 Cao tải, một bậc

 Hai bậcQuá trình tiếp xúc kị khíLớp bùn lơ lửng kỵ khí hướng lên ( UASB)

Quá trình lọc kỵ khí

Lớp vật liệu- thời gian kéo dài

 Quá trình một bậc hoặc nhiều bậc, các quá trình có tính chất khác nhau

 Các quá trình một bậc hoặc nhiều bậc

Khử nitrat hóa

Khử BOD chứa cacbon

Khử BOD chứa cacbon

Ổn định chất thải- khử nitrat hóa

Ổn định chất thải- nitrat hoá

Khử BOD chứa cacbon, nitrat hóa, khử nitrat hóa, khử photpho

Khử BOD chứa cacbon, nitrat hóa, khử nitrat, khử photpho

Khử BOD chứa cacbonKhử BOD chứa cacbon( ổn định chất thải – bùn)

2.1Tổng quan về các phương pháp xử lý sinh học kỵ khí

2.1.1 Giới thiệu

Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy

Phân hủy kị khí có thể chia làm 6 quá trình:

1 Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysaccaride, chất béo

2 Lên men các amino acid và đường

3 Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu( alcohols)

4 Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi( ngoại trừ acid acetic)

5 Hình thành khí methane từ acid acetic

6 Hình thành khí methane từ hydrogen và CO2

Các quá trình này có thể họp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ:

 Thủy phân: trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết

ra, các phức chất và các chất không tan( polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan( đường, các amino acid, acid béo)

Quá trình này xảy ra chậm Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất Chất béo thủy phân rất chậm

 Acid hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.0

 Acetic hoá( Acetogenesis)

Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới

 Methane hóa( methanogenesis )

Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ kỵ khí Acetic, H2, CO2, acid fomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới

Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, COD hầu như không giảm,COD chỉ giảm trong giai đoạn methane.

Hình 2.1: Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong kỵ khí

Hình 2.2: Thể hiện các dòng biến đổi chất trong quá trình phân hủy kỵ khí

VẬT CHẤT HỮU CƠ ĐẶC BIỆTProteins

Carbohydrates Lipid

Sản phẩm trung gianPropionate butyrate

4

2.1.2 Phân loại

Sơ đồ 2.1: Phân loại các hệ thống xử lý kỵ khí 2.1.2 1 Quá trình xử lý kỵ khí sinh trưởng lơ lửng

a Quá trình phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn

Đây là loại bể xáo trộn liên tục, không tuần hoàn bùn Bể thích hợp xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ hoà tan dể phân hủy nồng độ cao hoặc xử lý bùn hữu cơ

Thiết bị xáo trộn có thể dùng hệ thống cánh khuấy cơ khí hoặc tuần hoàn khí biogas( đòi hỏi có máy nén khí biogas và phân phối khí nén)

Trong quá trình phân hủy lượng sinh khối mới sinh ra và phân bố trong toàn

Tải trọng đặc trưng cho bể này là 0.5- 0.6 kgVS/m3.ngày

Do hàm lượng sinh khối trong bể thấp và thời gian lưu nước lớn nên loại bể này thích hợp và có thể chịu đựng được tốt trong trường hợp có độc tố hoặc khi tải trọng tăng đột ngột

Công nghệ xử lý kỵ

khí

Sinh trưởng bám dínhSinh trưởng lơ lửng

Lọc kỵ khí Tầng lơ lửng Vách ngănUASB

Tiếp xúc

kỵ khíXáo trộn

hoàn toàn

b Quá trình tiếp xúc kỵ khí

Quá trình này gồm 2 giai đoạn:

 Phân hủy kỵ khí xáo trộn hoàn toàn

 Lắng hoặc tuyển nổi tách riêng phần cặn sinh học và nước thải sau xử lý.Bùn sinh học sau khi tách được tuần hoàn trở lại bể phân hủy kỵ khí

Lượng sinh khối có thể kiểm soát được, không phụ thuộc vào lưu lượng nước thải nên thời gian lưu bùn có thể khống chế được và không liên quan đến thời gian lưu nước

Khi thiết kế có thể chọn thời gian lưu bùn thích hợp cho phát triển sinh khối, lúc đó có thể tăng tải trọng, giảm thời gian lưu nước, khối tích công trình giảm dần đến chi phí đầu tư kinh tế hơn

Hàm lượng VSS trong bể tiếp xúc kị khí dao động trong khoảng 4000 -6000 mg/ l

Tải trọng chất hữu cơ từ 0.5 đến 10 kg COD/m3/ ngày

Thời gian lưu nước từ 12 giờ đến 5 ngày

Hệ thống lắng trọng lực phụ thuộc vào tính chất bông bùn kị khí Các bọt khí biogas sinh ra trong quá trình phân huỷ kỵ khí thường bám dính vào các hạt bùn làm giảm tính lắng của bùn Để tăng cường khả năng lắng của bùn, trước khi lắng cho hỗn hợp nước và bùn đi qua bộ phận tách khí như thùng quạt gió, khuấy cơ khí hoặc tách khí chân không và có thể thêm chất keo tụ đẩy nhanh quá trình tạo bông

c UASB: bể xử lý sinh học kỵ khí dòng chảy ngược qua lớp bùn

Mô hình là cột hình trụ tròn gồm hai phần:

 Phần phân huỷ

 Phần lắng

Nước thải được phân bố vào từ đáy bể và đi ngược lên qua lớp bùn sinh học

có mật độ vi khuẩn cao Khí thu được trong quá trình này được thu qua phễu tách khí lắp đặt phía trên Cần có tấm hướng dòng để thu khí tập trung vào phễu không

qua ngăn lắng Trong bộ phận tách khí, diện tích bề mặt nước phải đủ lớn để các hạt bùn nổi do dính bám vào các bọt khí biogas tách khỏi bọt khí Để tạo bề rộng cần thiết cần có cột chặn nước Dọc theo mô hình có các vòi lấy mẫu ( 4- 6 vòi) để đánh giá lượng bùn trong bể thông qua thí nghiệm xác định mặt cắt bùn.

UASB hoạt động tốt khi các nguyên tắc sau đạt được:

 Bùn kỵ khí có tính lắng tốt

 Có bộ phận tách khí - rắn nhằm tránh rữa trôi bùn khỏi bể.Phần lắng ở trên

có thời gian lưu nước đủ lớn, phân phối và thu nước hợp lý sẽ hạn chế dòng chảy rối Khi hạt bùn đã tách khí đến vùng lắng có thể lắng xuống và trở lại ngăn phản ứng

 Hệ thống phân phối đầu vào đảm bảo tạo tiếp xúc tốt giữa nước thải và lớp bùn sinh học Mặt khác, khi biogas sinh ra sẽ tăng cường sự xáo trộn giữa nước và bùn, vì vậy có thể không cần thiết thiết bị khuấy cơ khí

đề gì

 Nước thải chứa độc tố: UASB không thích hợp với loại nước thải có hàm lượng amonia > 2000 mg/l hoặc hàm lượng sulphate > 500 mg/l Khi nồng độ

muối cao cũng gây ảnh hưởng xấu đến vi khuẩn methane Khi nồng độ muối nằm trong khoảng 5000 ÷ 15000 mg/l thì có thể xem là độc tố.

2.1.2.2 Quá trình kỵ khí sinh trưởng bám dính

a Lọc kỵ khí( giá thể cố định dòng chảy ngược )

Bể lọc kỵ khí là cột chứa đầy vật liệu rắn trơ là giá thể cố định cho vi sinh vật kỵ khí sống bám trên bề mặt Giá thể có thể là sỏi, đá , than, vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa…

Dòng nước phân bố đều từ dưới lên, tiếp xúc với màng vi sinh bám dính trên

bề mặt giá thể Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh dẫn đến lượng sinh khối trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài Vì vậy thời gian lưu nước thấp, có thể vận hành ở tải trọng rất cao

Các loại giá thể:

 Đá hoặc sỏi thường bị bít tắc do các chất lơ lửng hoặc màng vi sinh không bám dính giữ lại ở những khe rỗng giữa các viên đá hoặc sỏi

 Vật liệu nhựa tổng hợp có cấu trúc thoáng, độ rỗng cao ( 95%) nên vi sinh

dễ bám dính và chúng thường được thay thế dần cho đá, sỏi Tỉ lệ riêng diện tích

bề mặt/ thể tích của vật liệu thông thường dao động trong khoảng 100 ÷ 220

m2/m3.

Trong bể lọc kị khí do dòng chảy quanh co đồng thời do tích lũy sinh khối nên dễ gây ra các vùng chết và dòng chảy ngắn Để khắc phục nhược điểm này cần bố trí thêm hệ thống xáo trộn bằng khí biogas sinh ra thông qua hệ thống phân phối khí đặt dưới lớp vật liệu và máy nén khí biogas

Sau thời gian vận hành dài, các chất rắn không bám dính gia tăng Điều này chứng tỏ khi hàm lượng SS đầu ra tăng, hiệu quả xử lý giảm do thời gian lưu nước thực tế trong bể bị rút ngắn lại Chất rắn không bám dính có thể lấy ra khỏi bể bằng cách xả đáy và rữa ngược

b.Quá trình kỵ khí bám dính xuôi dòng

Trong quá trình này nước thải chảy từ trên xuống qua lớp giá thể module Giá thể này tạo nên các dòng chảy nhỏ tương đối thẳng theo hướng từ trên xuống Đường kính dòng chảy nhỏ xấp xỉ 4 cm Với cấu trúc này tránh được hiện tượng bít tắc và tích lũy chất rắn không bám dính và thích hợp cho xử lý nước thải có hàm lượng SS cao.

c.Quá trình kỵ khí tầng giá thể lơ lửng

Nước thải được bơm từ dưới lên qua lớp vật liệu lọc hạt là giá thể cho vi sinh sống bám Vật liệu này có đường kính nhỏ, vì vậy tỉ lệ diện tích bề mặt / thể tích rất lớn (cát, than hoạt tính hạt…) tạo sinh khối bám dính lớn Dòng ra được tuần hoàn trở lại để tạo vận tốc nước đi lên đủ lớn cho lớp vật liệu hạt ở dạng lơ lửng, giản nỡ khoảng 15 ÷ 30% hoặc lớn hơn Hàm lượng sinh khối trong bể có thể tăng lên đến 10000 ÷40000 mg/l Do lượng sinh khối lớn và thời gian lưu nước quá nhỏ nên quá trình này có thể ứng dụng xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ thấp như nước sinh hoạt

c m

c d

k S S

θµ

θ+

= 0 1

Monod

d s

c d

k

k S S

µθ

+

+

=

d m c c d

c d

k k

BY

k BYS S

µθθ

θ

Chen & Hashimoto

S K KS

k K

k KS S

θµθ

θ++

−

+

=

11

1

0

Trong đó:

µ - tốc độ sinh trưởng riêng 1/ thời gian

µm- Tốc độ sinh trưởng riêng tối đa, 1/thời gian

S – Hàm lượng cơ chất giới hạn sinh trưởng trong dung dịch, khối lượng/thể tích

ks - Hằng số bán vận tốc, hàm lượng cơ chất ở tốc độ sinh trưởng, khối lượng/ thể tích

rg - Tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn, khối lượng/ thể tích/ thời gian

Y- Hệ số sản lượng tế bào, mg/mg ( tỉ số khối lượng tế bào hình thành/ khối lượng cơ chất sử dụng, được xác định trong bất cứ thời gian của phalogarithmic)rsu- Tốc độ sử dụng cơ chất, khối lượng/ thể tích/ thời gian

k - Hệ số sử dụng cơ chất tối đa

Vr - Thể tích bể aerotank, thể tích

θc - Thời gian lưu bùn, thời gian.

kd - Hệ số phân hủy nội bào, 1/ thời gian

2.2 Tổng quan về quá trình xử lý sinh học hiếu khí

2.2.1 Định nghĩa

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh oxy hóa các chất hữucơ trongđiều kiện có oxy

Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 3 giai đoạn:

 Ôxy hóa các chất hữu cơ:

Enzyme

CxHyOz + O2 → CO2 + H2O + ∆H

 Tổng hợp tế bào mới:

Enzyme

CxHyOz + O2 + NH3 → Tế bào vi khuẩn ( C5H7NO2)+ CO2 + H2O - ∆H

 Phân hủy nội bào:

Enzyme

C5H7O2 + O2 → 5 CO2 + 2H2O + NH3 ±∆H

Trong 3 loại phản ứng ∆H là năng lượng được sinh ra hay hấp thu vào Các chỉ số x, y, z tuỳ thuộc vào dạng chất hữu cơ chứa cacbon bị oxy hóa.

Lọc sinh học nhò giọtLọc hiếu khí

Xử lý sinh học theo mẻ

Hiếu khí tiếp xúc

Aerotank

Sinh trưởng lơ lửng

Hồ sinh học hiếu khí

Sinh trưởng dính bám

a Aerotank: là công trình xử lý nước thải có dạng bể được thực hiện nhờ bùn

hoạt tính và cấp oxy bằng khí nén hoặc làm thoáng, khuấy đảo liên tục Với điều kiện như vậy, bùn được phát triển ở trạng thái lơ lửng và hiệu suất phân hủy ( oxy hóa) các hợp chất hữu cơ là khá cao

Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật có trong nước thải, hình thành những bông cặn có khả năng hấp thu và phân hủy các chất hữu cơ khi có mặt oxy Các bông này có mày nâu dễ lắng có kích thước từ 3 đến 5 µm

Bảng 2.3:Vi khuẩn tồn tại trong quá trình bùn hoạt tính

Phân hủy các polymeTạo thành chất nhầy( polysacarit), hình thành chất keo tụTích lũy polyphosphat, phản nitrat

Nitrit hóaNitrat hóaSinh nhiều tiên maoPhân hủy protein, phản nitrat hóaPhân hủy protein

Ứng dụng bùn hoạt tính cần chú ý đến các điểm sau:

 Cân bằng dinh dưỡng cho môi trường lỏng theo tỉ lệ: BOD5 : P :N : bình thường là 100: 5 :1; xử lý kéo dài 200: 5: 1

 Chỉ số thể tích bùn SVI: là số ml nước thải đang xử lý lắng được 1 gam bùn trong 30 phút và được tính:

MorMLSS

V

 Chỉ số MLSS: chất rắn tổng hợp trong chất lỏng, rắn , huyền phù, gồm bùn hoạt tính và chất lơ lửng còn lại chưa được vi sinh kết bông

Hoạt động nhờ quá trình dính bám của một số vi khuẩn hiếu khí lên lớp vật liệu giá thể Do quá trình dính bám tốt nên lượng sinh khối tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài nên có thể xử lý ở tải trọng cao Tuy nhiên hệ thống dễ bị tắc do quá trình phát triển nhanh chóng của vi sinh hiếu khí nên thời gian hoạt động dễ bị hạn chế.

b Lọc sinh học nhỏ giọt

Là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích tiếp xúc trong một đơn vị thể tích là lớn nhất trong điều kiện có thể Nước đến lớp vật liệu chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu và được làm sạch do vi sinh vật của màng phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ có trong nước

c Đĩa quay sinh học

Gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng được lắp trên một trục Các đĩa này được đặt ngập trong nước một phần và quay chậm khi làm việc

Khi quay màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ có trong nước thải và sau

đó tiếp xúc với oxy khi ra khỏi đĩa Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa được tiếp xúc được với không khí vừa tiếp xúc được với chất hữu cơ trong nước thải, vì vậy chất hữu cơ được phân hủy nhanh

2.2.3 Động học của quá trình xử lý sinh học

 Sinh trưởng tế bào

Nuôi cấy vi sinh vật theo từng mẻ hay theo dòng liên tục tốc độ tăng trưởng

tế bào vi sinh vật có thể biểu diễn theo công thức

X

Trong đó: rg_- tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật( g/m3.giây)

µ - tốc độ sinh trưởng riêng ( giây-1)

X - Nồng độ vi sinh vật ( hay nồng độ bùn hoạt tính) ( g/m3=mg/l)

 Cơ chất sinh trưởng giới hạn

Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng hoặc cơ chất giới hạn đến sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy liên tục có thể tính theo công thức của Monod đề